最新LASER激光器的调Q技术专讲..课件PPT.ppt 48页

'LASER激光器的调Q技术专讲.. 一、激光谐振腔的品质因数QQ值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。1.Q值定义：2.品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为上式可以改写为光子数密度的形式而体积为V的腔内存储的能量为：每振荡周期损耗的能量为：调节Q值的途径一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。 将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。1.脉冲固体激光器的输出特性二、调Q原理 第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△n阈，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小第三阶段(t3一t4)：△n＜△n阈，增益小于损耗，光子数密度Φ减少并急剧下降。 2.调Ｑ的基本原理通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。 当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。 调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如右图所示。图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；图(c)表示粒子反转数△n的变化；图(d)表示腔内光子数Φ随时间的变化。3.Q开关激光器的特点（1）通过改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。 在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t0时刻，粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni>>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图3所示，其值始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。图3从开始振荡到脉冲形成的过程只有振荡持续到t＝tD时，增长到了ΦD，雪崩过程才形成，Φ才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。（2）两阶段①储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值。ΦiΦD 因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t(也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时刻，△ni=△nt，光子数达到最大值Φm之后，由△n＜△nt，则Φ迅速减少，此时△n=△nf，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni=△nt)的时刻。ΦiΦD②激光产生输出忽略泵浦和自发辐射的影响。 （3）开关时间从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的时间叫开关时间。开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。 谐振腔的Q值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。三、Q调制方法四、调Q技术关键动态损耗：Q开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q开关打开之前没有激光产生；插入损耗：Q开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最小，一般会引入反射及散射损耗；开关时间，Q开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；同步性能，Q开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。 电光调Q一、电光晶体调Q原理1.电光Q开关原理。利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。图4-27电光调Q装置示意图（1）第一阶段：积累阶段电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶体光轴方向z施加一外电场E,由于普克尔效应,主轴变为x‘、y’,z‘。令光束沿z轴方向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x"和y"方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率η’x和η’y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差δ 图4-27电光调Q装置示意图式中η为晶体寻常光折射率;γ63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的电压，d为晶体在z轴方向的长度。当δ=π/2时,所需电压称作四分之一波电压,记作Vλ/4.图中电光晶体上施以电压Vλ/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x‘和y’方向的偏振分量产生了π/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生π/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。（2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。 1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％）2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到　　秒，3.典型的Nd:YAG　电光调Q激光器的输出光脉冲宽度约为１０-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器二、电光调Q技术特点 声光调Q一、声光Q开关器件的结构——腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。图4-28声光调Q装置示意图二.声光调Q原理：当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长λs.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方向。当声波频率较高.声光作用长度d足够大,满足时(λs与λ分别为声波与光波波长),如果λ射光与声波波面的夹角θ满足 则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦为θ,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii之比为声光布喇格衍射衍射示意图式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。式中Δη是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度与宽度;M是声光介质的品质因素;P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具有很低的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去超声，光束则顺利通过均匀的声光介质，此时Q开关处于开状态； 声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成,常用的声光介质有熔融石英、锢酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由银酸鲤、石英等压电材料薄片制成的换能器,换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开关置于激光器中,在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。图4-28声光调Q装置示意图声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高能调Q激。 染料调Q前面介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节介绍被动式Q开关，即利用某些可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。一、可饱和吸收染料的调Q原理利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。图就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。图(染料调Q装置示意图某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为：式中α0是中心频率小信号吸收系数;I和Is分别为人射光强和饱和光强。 可见,吸收系数随光强的增加而减少,当光强很大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加，Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I>>Is时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明 将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值(高损耗)状态，故不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加,当光强与饱和吸收体的Is可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大.当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗,激光器开始起振。随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生了受激辐射不断增长的雪崩过程.产生激光振荡输出调Q激光脉冲。当激光光强增加饱和时,增益系数显著下降,最终导致激光熄灭。图染料调Q装置示意图因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（I→0)，因而染料又恢复了吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程。 由上述巨脉冲发展过程可知,用作被动Q开关的饱和吸收体应具备下列特性:①吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合;②饱和光强Is要适当。Is小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的必要条件,Is太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调Q效果,但Is也不宜过小,否则很弱的光就能使其透明,工作物质的反转粒子数便不能充分积累。 消渴的护理储兰芳 因禀赋不足,阴虚燥热所致.以口渴引饮为上消、善食易饥为中消、饮-溲-为下消，统称消渴，为主要临床表现。病位在肺、胃、肾。糖尿病、尿崩症等可参考本病护理。 消渴津液亏损禀赋不足情志失调劳欲过度饮食失节五脏虚弱肾阴亏损气郁化火虚火内生酿生内热病因示意图 一、病因1、禀赋不足先天禀赋不足-五脏虚弱-肾阴亏损-阴虚火旺-灼伤津液-消渴。2、饮食失节过食肥甘醇酒-损伤脾胃-运化失职-积热内蕴-化燥伤津，消谷耗液—消渴。3、情志失调长期精神刺激-气机郁结-郁久化火-火热炽盛-灼伤肺、胃、肾之阴-消渴。4、劳欲过度房劳太过-损伤肾精-虚火内生-灼伤津液-消渴。 二、病机总病机：阴虚燥热病位：肺、胃、肾演变：阴损及阳,阴阳俱虚病久入络,血脉瘀滞血瘀是消渴病的重要病机之一,消渴病多种并发症的发生与血瘀密切相关。 病机特点气阴两虚，阴阳俱衰：病理阴虚为本日脾肾阳虚，水肿，泄泻正气不足，瘀血内生：演变燥热为标久因虚成瘀，因瘀致虚脏腑虚损，变证百出：肺痨，胸痹，麻木，脱疽、雀目、内障、疮疡、痈疽、中风、昏迷脱厥 诊断 一、诊断依据1、主症：三多一少。2、以肺痨、水肿、眩晕、胸痹心痛、中风、眼疾、疮疡就诊发现。3、无症状，体检发现。4、多有家族史。 二、病证鉴别1．口渴症指口渴饮水的一个临床表现。可见多种疾病过程中，各有相应病证的临床表现。不伴见多食、多尿、尿甜、消瘦等消渴的特点。2．瘿病多食、易饥、消瘦，类似消渴病的中消。但瘿病以颈部生长肿物、眼突、心慌为特点，无尿甜等可资鉴别． 二、治疗原则养阴生津，清热润燥为本病治疗大法。活血化瘀，清热解毒，滋阴温阳，健脾益气等治法。体育疗法饮食疗法 三、分证论治上消中消下消消渴变证 护理评估既往饮食结构、习惯、家族史病程长短、患者对疾病的认知程度以及生活自理能力。并发症。心理社会状况。辨证：肺热津伤证，胃热炽盛证、肾阴亏虚证、阴阳两虚证。 护理问题1、口渴多饮、多食善饥与燥热炽盛、耗伤津液，胃热炽盛、消耗水谷有关。2、饮食调养的需要与缺乏疾病知识有关。3、焦虑：对疾病认识不足、担心并发症、以及疾病久治不愈有关。 护理问题4、活动无耐力：与久病体虚有关。5、潜在晕厥：与胰岛素用量过大或进食不足、运动量过大有关。6、潜在皮肤感染：与热毒壅结、脉络瘀阻、外邪易侵有关。 护理要点一般护理按中医内科一般护理常规进行。按医嘱定期检查血糖和尿糖的变化。准确记录24小时出入量，每周定时测体重。病情观察，做好护理记录。观察患者神志、视力、血压、舌脉、皮 肤等情况。患者突然出现心慌头晕、出虚汗、软弱无力等低血糖情况时，报告医生，并配合处理。出现头晕、头痛、食欲不振，恶心呕吐、烦躁不安、呼出烂苹果气味时，报告医生并配合处理。出现神昏，呼吸深快、血压下降、肢冷、脉微欲绝时，报告医生，并配合处理。 给药护理严格按医嘱服用降糖类药物。饮食护理遵医嘱进食，控制总热量。禁食糖、烟酒，少食煎炸食物。可适当增加蛋白质，水煮蔬菜类食物。 情志护理增强与慢性疾病作斗争的信心，保持乐观情绪，积极配合治疗。 临证施护。上消（燥热伤肺证），遵医嘱给予中药鲜芦根、麦冬、天冬泡水代茶饮。以生津止渴。中消（胃燥伤津证），大便秘结时，可食用多纤维蔬菜或者顺时针按摩腹部、耳穴埋籽遵医嘱口服通便药。下消（肾阴亏虚证），可进行穴位艾灸，口渴时遵医嘱给予中药泡水代茶饮。 神昏者，按神昏常规护理进行。出现低血糖时，立即给予糖水或者果汁、巧克力、饼干等，必要时遵医嘱给药。有皮肤瘙痒、疖肿、痈疽者，嘱患者切勿搔抓，以免引起皮肤感染。 健康指导向患者讲解饮食疗法，使患者合理安排每日膳食。避免精神创伤和过度劳累。指导患者掌握自我检测血糖、尿糖及胰岛素注射的方法。讲解本病并发症的表现，如眼部病变、足部感染等，以便及时发现，及时处理。 指导患者保持皮肤清洁干燥；勤洗澡、理发、修剪指甲；内衣、鞋袜要柔软宽松；趾端要保暖。定期复查，随身携带糖尿病治疗保健卡，以防发生低血糖时，可采取急救措施。根据患者具体情况选择运动方式，以不感到疲劳为宜。 谢谢！'